книги / Автоматизированное управление формированием сенсомоторных навыков у операторов технологических установок с применением компьютерных тренажеров
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Р.А. Файзрахманов, И.С. Полевщиков
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЕМ СЕНСОМОТОРНЫХ НАВЫКОВ У ОПЕРАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ
Монография
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2022
1
УДК 004.94:005.962.1 ББК 32.813:74.00
Ф17
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор, засл. деятель науки РФ, засл. машиностроитель Республики Башкортостан, профессор кафедры автоматизированных систем управления Г.Г. Куликов
(Уфимский университет науки и технологий); д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры информационных технологий Е.К. Хеннер (Пермский государственный национальный исследовательский университет)
Файзрахманов, Р.А.
Ф17 Автоматизированное управление формированием сенсомоторных навыков у операторов технологических установок с применением компьютерных тренажеров : моногр. / Р.А. Файзрахманов, И.С. Полевщиков. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-
техн. ун-та, 2022. – 154 с.
ISBN 978-5-398-02833-1
Представлены результаты исследования в области повышения эффективности управления формированием сенсомоторных навыков у операторов технологических установок на основе разработки новых моделей, методов и программного обеспечения компьютерных тренажерных комплексов (КТК). Результаты исследования могут быть использованы организациями, занимающимисяпроектированиемипроизводствомКТК и непосредственно профессиональной подготовкой (в том числе обучением на производстве) будущих операторов технологических процессов (главным образом, погрузочно-разгрузочных, подъемно-транспортных и экскаваторныхработ).
УДК 004.94:005.962.1 ББК 32.813:74.00
ISBN 978-5-398-02833-1 |
© ПНИПУ, 2022 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Список сокращений .............................................................................. |
5 |
Введение .................................................................................................. |
6 |
Глава 1. Анализ моделей, методов и средств |
|
управления формированием сенсомоторных |
|
навыков при профессиональной подготовке |
|
операторов технологических установок............................................ |
9 |
1.1. Управление подготовкой операторов |
|
технологических установок на основе |
|
компетентностного подхода ...................................................... |
9 |
1.2. Понятие и особенности профессиональных |
|
сенсомоторных навыков операторов |
|
технологических установок ..................................................... |
12 |
1.3. Специфика формирования сенсомоторных навыков |
|
у операторов технологических установок.............................. |
19 |
1.4. Автоматизация процесса формирования |
|
сенсомоторных навыков у операторов |
|
с применением компьютерных тренажеров........................... |
23 |
1.5. Применение автоматизированных обучающих |
|
систем в процессе профессиональной |
|
подготовки операторов............................................................. |
41 |
1.6. Недостатки существующих средств |
|
автоматизации процесса формирования |
|
сенсомоторных навыков у операторов.................................... |
43 |
Глава 2. Моделирование системы автоматизированного |
|
управления формированием сенсомоторных навыков |
|
у операторов технологических установок....................................... |
46 |
2.1. Характеристики и структура компьютерных |
|
тренажерных комплексов для обучения |
|
операторов технологических установок |
|
сенсомоторным навыкам.......................................................... |
46 |
2.2. Математическая модель системы автоматизированного |
|
управления формированием сенсомоторных |
|
навыков у операторов............................................................... |
51 |
|
3 |
2.3. Определение подмножества оцениваемых |
|
показателей качества................................................................ |
64 |
2.4. Построение планируемой траектории |
|
изменения интегрального показателя качества |
|
выполнения технологической операции |
|
при формировании навыка....................................................... |
72 |
2.5. Оценка качества выполнения технологических |
|
операций на основе нечетких множеств................................. |
78 |
Глава 3. Разработка и применение компьютерных |
|
тренажерных комплексов для обучения операторов |
|
технологических установок............................................................... |
86 |
3.1. Архитектура компьютерных тренажерных |
|
комплексов ................................................................................ |
86 |
3.2. Организация практического этапа обучения |
|
с использованием тренажерного комплекса........................... |
88 |
3.3. Организация теоретического этапа обучения |
|
с использованием тренажерного комплекса........................... |
93 |
3.4. Реализация программного обеспечения |
|
тренажерного комплекса.......................................................... |
98 |
3.5. Веб-интерфейсы тренажерного комплекса |
|
для преподавателя и эксперта................................................ |
101 |
3.6. Модель базы данных тренажерного комплекса ................... |
106 |
3.7. Учебные курсы для подготовки операторов |
|
перегрузочных машин на тренажерных комплексах........... |
108 |
3.8. Анализ результатов работы оператора |
|
до и после внедрения подсистемы управления |
|
формированием навыков........................................................ |
116 |
3.9. Технология создания тренажерных комплексов |
|
для обучения операторов ....................................................... |
119 |
Заключение......................................................................................... |
121 |
Список литературы........................................................................... |
123 |
Приложение А.................................................................................... |
140 |
Приложение Б..................................................................................... |
141 |
Приложение В..................................................................................... |
151 |
4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АОС – автоматизированная обучающая система БД – база данных ГОСТ – межгосударственный стандарт
КСУН – компьютерное средство учебного назначения КТК – компьютерный тренажерный комплекс МАИ – метод анализа иерархий ЭВМ – электронно-вычислительная машина
UML – унифицированный язык моделирования
5
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность функционирования современных технологических процессов во многом определяется степенью подготовки операторов. Низкое качество работы, высокий уровень аварийности и травматизма зачастую являются следствием недостаточной сформированности у операторов профессиональных сенсомоторных навыков. Оператор должен владеть навыками своевременного, точного выполнения требуемых технологических операций, основываясь на знаниях о желаемой траектории процесса, оценивая фактическое протекание процесса, выбирая из возможных наиболее эффективные действия.
По данным статистики, уровень аварийности и травматизма по вине операторов значительный. Согласно научным исследованиям Я.Д. Вишнякова, Н.Н. Радаева, Н.Д. Зариповой и др. в области промышленной безопасности, высокий уровень аварийности и травматизма на производстве, а также низкое качество выполнения технологических процессов в 60–70 % случаев являются следствием человеческого фактора [1–3] (при использовании автотранспорта этот показатель достигает 90 % от всех несчастных случаев [4]).
Согласно анализу, проведенному Управлением по охране труда Великобритании (HSE) [5], 35 % инцидентов и аварийных ситуаций в мире, имеющих отношение к башенным кранам, связаны с ошибкой оператора (например перегруз, обрыв троса, столкновение груза с препятствием и т.д.). Поэтому повышение эффективности профессиональной подготовки операторов технологических установок с целью формирования у них необходимого уровня сенсомоторных навыков на основе научно обоснованных моделей и методов за относительно короткий промежуток времени является актуальной задачей [6, 7]. Для этого применяются компьютерные тренажеры и автоматизированные обучающие системы (АОС), получившие широкое освещение в научной и методической литературе в России и за рубежом.
6
Тем не менее АОС, используемые при подготовке операторов, являются, как правило, системами контроля теоретических знаний и тренировки логики профессионального мышления, а компьютерные тренажеры создаются как имитаторы технологических процессов, позволяющие сформировать необходимые навыки под руководством инструктора. Несмотря на наличие большого количества научных исследований в области автоматизации профессионального обучения считаем, что проблема автоматизации управления формированием профессиональных компетенций операторов технологических установок в части формирования сенсомоторных навыков требует дальнейшего рассмотрения. Данные исследования направлены на повышение эффективности управления формированием сенсомоторных навыков у операторов технологических установок на основе разработки новых моделей, методов и программного обеспечения компьютерных тренажерных комплексов (КТК).
Результатами проведенного исследования являются:
–математическая модель системы автоматизированного управления формированием сенсомоторных навыков у операторов технологических установок в ходе профессиональной подготовки с применением КТК, отличающаяся от известных использованием динамических параметров, позволяющих оценивать процесс формирования сенсомоторных навыков при итеративном научении и вырабатывать на основе получаемой оценки управляющие воздействия;
–методика принятия решений, позволяющая обеспечить информационной поддержкой обучаемого в процессе формирования сенсомоторных навыков при выполнении упражнений на КТК и отличающаяся от известных применением алгоритмов для определения завершенности процесса формирования навыка в целом или отдельного этапа формирования; управляющих воздействий для обучаемого и оцениваемых показателей качества технологического процесса с учетом достигнутого уровня навыка;
7
– специальное программное обеспечение системы автоматизированного управления формированием сенсомоторных навыков, позволяющее оценивать уровень сформированности навыка и вырабатывать управляющие воздействия для оператора с учетом специфики итеративного научения и индивидуальных особенностей обучаемого.
Теоретическая значимость исследования обусловлена развитием моделей и методов в области автоматизации управления формированием профессиональных сенсомоторных навыков у операторов технологических установок, способствующих снижению времени и повышению качества обучения за счет объективной оценки сформированности навыка и целенаправленного формирования управляющих воздействий.
Полученные научные результаты могут применяться при создании КТК, предназначенных для профессионального обучения операторов различных технологических процессов, а также могут применяться в ходе профессиональной подготовки инженеров, разрабатывающих АОС.
8
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ СЕНСОМОТОРНЫХ НАВЫКОВ ПРИ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКЕ ОПЕРАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1.1. Управление подготовкой операторов технологических установок на основе компетентностного подхода
Эффективность и безопасность функционирования современных технологических установок в значительной степени определяется качеством подготовки операторов.
В практической деятельности будущему оператору технологической установки необходимо самостоятельно качественно осуществлять определенную работу, и в частности, решать сложные и нестандартные задачи. Для этого он должен в процессе обучения овладеть рядом компетенций, каждая из которых представляет освоенную оператором способность выполнения на практике требуемых действий, обеспеченную совокупностью приобретенных знаний, навыков (в частности сенсомоторных навыков управления установкой, навыков диагностики неисправностей) и личных качеств [8–11].
При использовании компетентностного подхода в процессе подготовки операторов требуется организация образовательной среды, способствующей индивидуализации учебной работы будущих операторов, увеличению доли их самостоятельной работы. Управление учебным процессом должно производиться с учетом индивидуальных задатков и способностей будущих операторов при выполнении ими учебных заданий.
С целью повышения эффективности учебного процесса (т.е. для более прочного освоения обучаемыми элементов компетенций за наименьшее время) в профессиональном образовании (и в частности при обучении операторов технологических установок)
широкое применение получили компьютерные средства учебно-
9
го назначения (КСУН). Это различные программные и программ- но-аппаратные средства: электронные учебники, тренажеры, программы для тестирования знаний, автоматизированные обучающие системы и т.д. [6, 12].
Процесс управления овладением элементами компетенций (в частности знаниями и навыками) с использованием средств автоматизации, которыми являются КСУН, схематично показан на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Обобщенная схема процесса автоматизированного обучения
Процесс управления (см. рис. 1.1) обладает следующими особенностями [12]:
1)реализуется в замкнутой системе;
2)характеризуется целью управления;
3)включает объект управления, которым являются элементы компетенций обучаемых, такие, например, как знания и навыки;
4)обладает устройством управления, представляющим че- ловеко-машинный элемент (программными модулями автоматизированной системы контролируются элементы компетенций, на основе чего вырабатываются некоторые управляющие воздействия; окончательные управленческие решения принимает преподаватель на основе возможных вариантов, формируемых программой);
5)включает канал обратной связи, обеспечивающий учет индивидуализации образовательных результатов обучаемых.
По каналу обратной связи устройству управления передается ответная реакция обучаемого (например результат выполнения упражнения) с целью корректировки этих управляющих воздействий для достижения желаемого результата обучения.
10